中微子探测中若干唯象和实验问题研究

发布时间：2020-04-07 00:05

【摘要】：中微子振荡现象发现以后,大多数振荡参数已经通过太阳中微子实验、大气中微子实验、加速器中微子实验以及反应堆中微子实验测定,但是中微子质量顺序依然是未解之谜。2012年大亚湾实验在5.2σ置信区间给出θ_(13)角非零的结论,这为中微子质量顺序的测量带来了希望。江门中微子实验(JUNO)作为未来大型中微子实验项目之一,其主要目标是在6年时间内以3σ置信度给出中微子质量顺序的测量结果,这要求探测器必须要达到前所未有的3%/(?)能量分辨率。为了实现该目标,JUNO使用了20,000只大面积、高效率的光电倍增管(PMT)进行光子探测,因此其模拟和性能研究是整个实验中关键之一。本论文中,首先对利用超新星中微子鉴别质量顺序的可能性进行了讨论,考虑了超新星爆发的中子化过程以及黑洞形成过程两种情况。随后,从光学原理出发建立了新的PMT光学模型,使JUNO探测器模拟中PMT对光子响应得到了精确描述。另外,PMT的绝对探测效率测量尚未有成熟的方案,论文中提出了一种积分球分光方法,并利用该方法成功标定了一只滨松20英寸PMT。超新星中微子是JUNO的探测目标之一,如何利用超新星中微子来确定质量顺序也是热门话题。由于超新星爆发的中子化过程里中微子时间谱中具有明显的短时间特征,因此可以尝试利用不同质量本征态在传播过程中的飞行时间差别来分辨中微子质量顺序。对于不同的质量顺序,会在探测器中测得事例谱的不同时间结构。另外,由于黑洞形成过程中会产生中微子通量的截断现象,我们也可以利用这种特征来辨别中微子质量顺序。但是,由于这种方法要求超新星距离地球较远或更大的探测器,尚无法将其运用在JUNO实验。光电倍增管的模拟难点在于建立精确可靠的PMT响应的模型。PMT对光子的响应事实上是光子在空气(水)-玻璃-光阴极-真空多层介质间的反射、透过和吸收过程,其比例可以根据斯涅耳定律和菲涅尔公式计算得到。JUNO所用的光电倍增管置于水中,当光子以大角度入射时,会在光阴极和真空之间发生全反射现象,这会显著提高PMT对光子的探测效率。另一方面,PMT的下表面铝膜以及内部结构也会影响其探测效率。在模拟软件中添加了光阴极上的薄膜干涉效应以后,实现了对PMT角度响应的精确描述。该模型也被应用在PMT批量测试系统的研究中。强光探测器件(如PD)的效率可通过测量其对已知功率入射光的响应度来得到,但是PMT工作在弱光下,无法用相同的手段得到其探测效率。利用积分球将入射光分为比例约为1663:1倍两束光,便能够在PMT工作于单光子模式的情况下,使用PD测得强光的光强,并推测与入射至PMT的弱光光强。另外,PMT绝对量子效率的标定十分容易,根据探测效率和量子效率的数值很容易计算出PMT的收集效率大小,由于同类型PMT结构的相似性,其收集效率也会比较接近。论文最后我们总结了前述工作并对后续工作做出了展望。
【图文】：

图 1.1: 粒子物理标准模型（来源：[4]）与物质发生相互作用的形式有以下几种 [5]：微子-电子散射。（反）电子型中微子和电子可以通过交换 Z0（中性流电流）发生相互作用，其相互作用费曼图1.2a和图1.2b所示。对于其微子 νx仅能通过交换 Z0与电子发生相互作用，如图1.2c所示。微子-中微子散射：να(p) + να(q) → να(p′) + να(q′)。微子-核子散射。最常见的如反 beta 衰变（方程1.1）。中微子味混合与中微子振荡68 年，Davis 在太阳中微子实验中发现中微子流强与 Bahcall 所提出预测不符 [6]，也就是太阳中微子丢失问题。其后，更多的中微子实验现象，这意味着中微子是有质量且存在轻子味混合的。当前的标准模

实验的主要中微子源为阳江核电站与台山核电站的核反应堆，，为了更好地探测到中微子质量顺序，中微子探测器被放置于两座核电站的中轴线上，距离两座核电站的距离均为 53km（如图1.7），为中基线中微子振荡实验 [19]。同时，为了屏蔽宇宙射线，该实验的探测器被安装在距离地面约 700 米深的地下。图 1.7: 江门中微子实验地理位置及周围反应堆分布（来源：[20]）表 1.2: 江门中微子实验附近核反应堆及其功率核反应堆 大亚湾 惠州 陆丰 阳江 台山状态 运行 计划 计划 建设 建设功率 17.4GW 17.4GW 17.4GW 17.4GW 18.4GW图1.8为江门中微子实验探测器的示意图，它主要由三大部分组成：中心探测器，水切伦科夫探测器以及 muon 径迹探测器。其中，中心探测器是一个灌满液体闪烁体的玻璃球，其直径为 35.4m，在玻璃球的外部的不锈钢支架上，固定着 20 英寸以及 3英寸两种尺寸的光电倍增管。为了能够在 6 年内在 3σ 置信区间内测得中微子质量顺-12-
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O572.321

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本文编号：2617182